《关系代数实践训练》课件

关系代数实践训练欢迎参加本次关系代数实践训练课程！本课程旨在通过理论讲解与实践操作相结合的方式，帮助大家深入理解关系代数的基本概念、操作以及在数据库设计与应用中的重要作用我们将从关系代数的基础知识入手，逐步深入到关系模式设计、应用、完整性约束、事务管理以及数据库安全等多个SQL方面，并通过丰富的实例和练习，让大家能够熟练掌握关系代数的相关技能希望本次课程能够为大家在数据库领域的学习和工作中提供有力的支持课程大纲关系代数基础1介绍关系代数的基本概念、元组、关系、基本操作（选择、投影、连接、笛卡尔积、集合操作等）关系模式设计2规范化理论综述、第一范式、第二范式、第三范式以及实践操作关系模式设计关系代数与SQL3等价转换规则、语句、条件、聚合函数、分组与连SELECT WHERE接、子查询以及实践操作应用SQL高级主题4关系完整性约束、事务管理、数据库安全性等关系代数简介什么是关系代数关系代数的作用关系代数的组成关系代数是一种抽象的查询语言，它使关系代数可以用来描述关系数据库中的关系代数由关系、运算符和表达式组成用代数运算符来描述对关系的操作它查询，并且可以用来优化查询通过对关系是数据的集合，运算符是对关系进是关系数据库的理论基础，为等查关系代数表达式进行转换，可以得到更行操作的符号，表达式是由关系和运算SQL询语言提供了坚实的数学基础高效的查询执行计划符组成的式子概念回顾元组、关系元组（）关系（）Tuple Relation元组是关系数据库中最基本的关系是元组的集合，它代表关概念，它代表关系中的一行数系数据库中的一个表一个关据一个元组由多个属性值组系由多个元组组成，每个元组成，每个属性值对应关系中的代表表中的一行数据一个列属性（）Attribute属性是关系中的一个列，它代表关系中的一种数据类型每个属性都有一个名称和一个数据类型，例如整数、字符串等元组是关系数据库中最基本的概念，它代表关系中的一行数据关系是元组的集合，它代表关系数据库中的一个表属性是关系中的一个列，它代表关系中的一种数据类型关系的基本操作选择（）投影（）连接（）集合操作Selection ProjectionJoin从关系中选择满足给定条件的从关系中选择指定的属性列将两个关系根据共同属性连接包括并、交、差等操作，用于元组起来对关系进行集合运算关系的基本操作包括选择、投影、连接和集合操作等这些操作是关系代数的核心，通过这些操作可以实现对关系数据库的各种查询和操作选择、投影、连接选择投影连接⋈σπ选择操作符用于从投影操作符用于从连接操作符⋈用于将σπ关系中选择满足给关系中选择指定的两个关系和根据R RR S定条件的元组例如，属性列例如，共同属性连接起来例π如，⋈σage20name,age Student Student表示选择表示选择关表示将StudentStudentCourse关系中年龄系中的和关系和Student nameage Student大于的所有元组属性列关系根据共同20Course属性连接起来选择操作用于从关系中选择满足条件的元组，投影操作用于从关系中选择指定的属性列，连接操作用于将两个关系根据共同属性连接起来这些操作是关系代数中最常用的操作笛卡尔积定义应用示例笛卡尔积（）是将笛卡尔积通常与其他操作结合使用，例假设有一个关系Cartesian ProductStudentname,age两个关系中的所有元组进行组合，生成如选择和连接，以实现更复杂的查询和关系，CoursecourseName,teacher一个新的关系如果关系有个元组，它可以用来查找两个关系之间所有可能则的结果将包含所有R mStudent×Course关系有个元组，则的结果有的组合学生和所有课程的组合S nR×S m×n个元组集合操作交、并、差并（）Union1将两个关系中的所有元组合并成一个关系，去除重复的元组要求两个关系具有相同的属性交（）Intersection2找出两个关系中共同的元组，组成一个新的关系要求两个关系具有相同的属性差（）Difference3从一个关系中去除另一个关系中的元组，组成一个新的关系要求两个关系具有相同的属性例题练习1题目一题目二已知关系已知关系，StudentSno,Sname,SCSno,Cno,Grade，查询所有年龄大查询选修了课程且成绩在Sage,Sdept C190于岁的学生的学号和姓名分以上的学生的学号20题目三已知关系，查询所有由张老师讲授的课程CourseCno,Cname,Tname的课程号和课程名请大家根据前面所学的关系代数知识，尝试解答以上三个题目可以通过选择、投影、连接等操作来实现查询目标讨论与总结问题讨论经验分享总结在解答例题的过程中，遇到了哪些问题？你认为关系代数在实际应用中有哪些价关系代数是一种抽象的查询语言，它是如何解决这些问题？你认为关系代数中值？你是如何理解关系代数与之间关系数据库的理论基础通过掌握关系SQL最难理解的概念是什么？的关系的？你有什么学习关系代数的心代数的基本概念和操作，可以更好地理得体会？解和应用关系数据库技术关系模式设计目标设计出高效、稳定、易于维护的关系模式原则减少数据冗余，避免更新异常，保证数据一致性方法规范化理论，如第一范式、第二范式、第三范式等关系模式设计是数据库设计的核心环节，它直接影响到数据库的性能、稳定性和可维护性良好的关系模式设计可以减少数据冗余，避免更新异常，保证数据一致性，提高查询效率规范化理论综述第二范式（）2NF2在的基础上，每个非主属性完全依1NF赖于主键第一范式（）1NF1关系中的每个属性都是不可再分的第三范式（）3NF在的基础上，每个非主属性都不传2NF3递依赖于主键规范化理论是关系模式设计的重要理论基础，它通过一系列范式来规范关系模式的设计，以减少数据冗余，避免更新异常，保证数据一致性常用的范式包括第一范式、第二范式和第三范式第一范式定义示例意义关系中的每个属性都是不可再分的也假设有一个关系满足第一范式可以简化数据的查询和操StudentSno,Sname,就是说，每个属性都只能包含一个值，，其中属性包含多作，提高数据的可维护性Saddress Saddress不能包含多个值或者复合值个地址，则该关系不满足第一范式可以将属性拆分成多个属性，例Saddress如等，或者将Saddress1,Saddress2地址信息存储在另一个关系中第二范式定义示例在的基础上，每个非主属性完全假设有一个关系1NF SCSno,Cno,依赖于主键也就是说，每个非主属，其中和Grade,Cname SnoCno性都不能只依赖于主键的一部分，而是主键，依赖于和，Grade SnoCno必须依赖于整个主键只依赖于，则该关系不Cname Cno满足第二范式可以将关系拆分SC成和SCSno,Cno,Grade两个关系CourseCno,Cname意义满足第二范式可以减少数据冗余，避免更新异常第二范式是在第一范式的基础上提出的，它要求每个非主属性完全依赖于主键如果不满足第二范式，可能会导致数据冗余和更新异常第三范式定义示例意义在的基础上，每个非假设有一个关系满足第三范式可以进一步2NF主属性都不传递依赖于主减少数据冗余，避免更新StudentSno,Sname,键也就是说，每个非主，异常，提高数据的完整性Sdept,SdeptName属性都不能依赖于另一个其中是主键，Sno Sname非主属性，而必须直接依和依赖于，Sdept Sno赖于主键依赖于，SdeptName Sdept则该关系不满足第三范式可以将关系拆分Student成StudentSno,Sname,和SdeptDepartmentSdept,两个关系SdeptName第三范式是在第二范式的基础上提出的，它要求每个非主属性都不传递依赖于主键如果不满足第三范式，可能会导致数据冗余和更新异常，影响数据的完整性实践操作关系模式设计1需求分析明确系统需要存储哪些数据，以及这些数据之间的关系1概念设计2建立实体关系模型（模型），描述实体、属性和实体之间的关系-E-R逻辑设计3将模型转换为关系模式，并进行规范化，消除数据冗余和E-R更新异常请大家根据给定的需求，进行关系模式设计，并说明你的设计思路和理由可以使用图工具来辅助设计E-R评估与反馈自我评估互相评价教师点评你认为你设计的关系模式是否满足第三请你评价其他同学设计的关系模式，指教师将对大家的设计进行点评，指出共范式？你是如何判断的？你在设计过出其优点和不足之处你认为他们的设性问题和个性化问题，并给出改进建议程中遇到了哪些困难？计有哪些值得你学习的地方？关系代数与SQL是关系代数的实现更易于使用SQL SQL12（比关系代数更易于使用，SQL StructuredQuery SQL）是关系数据库的因为它更接近自然语言Language SQL标准查询语言，它是关系代数语句更易于编写和理解，而关的一种实现语句可以转系代数表达式则比较抽象SQL换为关系代数表达式，反之亦然关系代数用于优化3关系代数可以用于优化查询通过将语句转换为关系代数表达SQL SQL式，可以对表达式进行转换和优化，从而提高查询效率等价转换规则连接的结合律2⋈⋈⋈⋈R ST=R ST连接的交换律1⋈⋈R S=S R选择的结合律3σp1AND p2R=σp1σp2R等价转换规则是关系代数中用于优化查询的重要工具通过应用这些规则，可以将一个关系代数表达式转换为另一个等价的表达式，从而提高查询效率常用的等价转换规则包括连接的交换律、连接的结合律和选择的结合律等语句SELECT基本语法1SELECT attribute1,attribute2,...FROM relationWHERE condition;作用2从指定的关系中选择满足条件的属性列示例3SELECT Sname,Sage FROM Student WHERESdept=CS;语句是中最常用的语句之一，它用于从指定的关系中选择满足条件的属性列语句的基本语法包括、SELECT SQL SELECT SELECT和三个部分，分别用于指定要选择的属性列、要查询的关系和查询条件FROM WHERE条件WHERE比较运算符集合运算符模式匹配运算符包括、、、、包括、等，包括、==IN NOTIN LIKENOT LIKE、等，用于比较属用于判断属性值是否属等，用于判断属性值是=!=性值和常量或者属性值于指定的集合否匹配指定的模式和属性值条件用于指定查询条件，只有满足条件的元组才会被选择出来WHERE条件可以使用比较运算符、集合运算符和模式匹配运算符等WHERE聚合函数COUNT统计元组的个数SUM计算属性值的总和AVG计算属性值的平均值MAX找出属性值的最大值MIN找出属性值的最小值聚合函数用于对一组元组进行统计计算，常用的聚合函数包括、、、和等聚合函数通常与子句一起使用，用于对元组进COUNT SUMAVG MAXMIN GROUP BY行分组统计分组与连接GROUP BY1用于将元组按照指定的属性进行分组例如，SELECT Sdept,表示按照COUNT*FROMStudentGROUP BYSdept;属性对关系进行分组，并统计每个系的学生人Sdept Student数JOIN2用于将两个或多个关系连接起来例如，SELECT Sname,Cname FROMStudent JOINSC ONStudent.Sno=表示查询SC.Sno JOINCourse ONSC.Cno=Course.Cno;每个学生选修的课程名子句用于将元组按照指定的属性进行分组，子句用于将两个或GROUPBYJOIN多个关系连接起来这两个子句是中非常重要的组成部分，可以实现复杂的SQL查询操作子查询定义应用注意事项子查询是指嵌套在另一个查询语句中的子查询可以用于实现复杂的查询，例如子查询的效率通常比较低，因为它需要查询语句子查询可以出现在查询选修了课程的所有学生的姓名执行多次查询因此，在实际应用中应SELECT C1子句、子句和子句中可以使用以下语句实现该尽量避免使用子查询，或者使用其他FROM WHERESQL SELECT方式来优化查询Sname FROMStudent WHERESnoIN SELECTSno FROMSC WHERECno=C1;实践操作应用2SQL题目一题目二题目三已知关系已知关系，查已知关系StudentSno,Sname,SCSno,Cno,Grade CourseCno,Cname,，查询所有年龄大于询选修了课程且成绩在分以上的，查询所有由张老师讲授的课Sage,Sdept20C190Tname岁的学生的学号和姓名请用语学生的学号请用语句实现程的课程号和课程名请用语句实SQL SQLSQL句实现现请大家根据前面所学的知识，尝试解答以上三个题目可以通过、、等语句来实现查询目标SQLSELECTWHERE JOIN评估与反馈自我评估1你认为你编写的语句是否正确？你是如何验证的？你在编写过程中遇到了哪些困难？SQL互相评价2请你评价其他同学编写的语句，指出其优点和不足之处你认为他们的代码有SQL哪些值得你学习的地方？教师点评3教师将对大家的语句进行点评，指出共性问题和个性化问SQL题，并给出改进建议关系完整性约束参照完整性保证关系之间的引用关系是有效的，并2且外键必须引用已存在的实体实体完整性1保证关系中的每个实体都是唯一的，并且主键不能为空用户定义完整性根据用户的需求自定义的约束条件，例如年龄必须大于，性别只能是男或女03等关系完整性约束是关系数据库的重要组成部分，它用于保证数据的正确性和一致性常用的完整性约束包括实体完整性、参照完整性和用户定义完整性等实体完整性定义实体完整性要求关系中的每个实体都是唯一的，并且主键不能为空也就是说，每个关系都必须有一个主键，并且主键的值不能重复，也不能为1NULL作用2实体完整性可以保证关系中的每个实体都是可识别的，并且可以唯一地标识一个元组实体完整性是关系完整性约束中最基本的一种，它要求关系中的每个实体都是唯一的，并且主键不能为空只有满足实体完整性，才能保证关系的正确性和一致性参照完整性定义作用参照完整性要求关系之间的引用关参照完整性可以保证关系之间的引系是有效的，并且外键必须引用已用关系是有效的，避免出现无效的存在的实体也就是说，如果一个引用，保证数据的完整性和一致性关系中的某个属性是另一个关系的外键，则该属性的值必须是另一个关系中主键的值，或者为NULL参照完整性是关系完整性约束中非常重要的一种，它要求关系之间的引用关系是有效的，并且外键必须引用已存在的实体只有满足参照完整性，才能保证关系之间的引用关系是正确的，避免出现数据不一致的情况用户定义完整性定义用户定义完整性是指根据用户的需求自定义的约束条件，例如年龄必须大于，性别只能是男或女等0作用用户定义完整性可以保证数据的有效性，避免输入错误的数据，提高数据的质量实现可以通过约束、触发器等方式来实现用户定义完整性CHECK用户定义完整性是关系完整性约束中非常灵活的一种，它可以根据用户的需求自定义约束条件，保证数据的有效性，提高数据的质量用户定义完整性可以通过约束、触发器等方式来实现CHECK实践操作完整性约束3题目一题目二已知关系，要求属已知关系，其中是关系的StudentSno,Sname,Sage,Sdept SageSCSno,Cno,Grade SnoStudent性的值必须大于，并且属性的值只能是、、外键，是关系的外键请用语句实现参照完整0Sdept CSEE MACno CourseSQL三个值之一请用语句实现性约束SQL请大家根据前面所学的完整性约束知识，尝试解答以上两个题目可以通过语句来添加约束条件ALTER TABLE评估与反馈自我评估互相评价你认为你添加的完整性约束是否请你评价其他同学添加的完整性有效？你是如何验证的？你在约束，指出其优点和不足之处添加过程中遇到了哪些困难？你认为他们的代码有哪些值得你学习的地方？教师点评教师将对大家添加的完整性约束进行点评，指出共性问题和个性化问题，并给出改进建议评估与反馈是学习过程中非常重要的环节，通过自我评估、互相评价和教师点评，可以更好地理解和掌握所学知识，提高学习效果事务管理定义事务是指作为单个逻辑工作单元执行的一系列操作事务要么全部执行成功，1要么全部执行失败作用2事务可以保证数据的完整性和一致性，避免出现数据不一致的情况事务管理是数据库管理的重要组成部分，它用于保证数据的完整性和一致性事务管理涉及到事务的定义、事务的特性、并发ACID控制以及事务隔离级别等多个方面事务的特性ACID原子性（）一致性（）隔离性（）持久性（）Atomicity ConsistencyIsolation Durability事务是一个不可分割的工作一个事务的执行不能被其他一个事务一旦提交，它对数单位，事务中的操作要么全事务必须使数据库从一个一事务干扰多个并发事务之据库的改变就应该是永久性部执行成功，要么全部执行致性状态变换到另一个一致间要相互隔离的接下来的其他操作或故失败性状态障不应该对其有任何影响事务的特性是事务管理的核心，它保证了事务的原子性、一致性、隔离性和持久性只有满足特性，才能保证数据的完整ACID ACID性和一致性并发控制问题丢失更新1当多个事务并发执行时，一个事务的更新可能会被另一个事务的更新覆盖，导致更新丢失脏读2一个事务读取了另一个事务尚未提交的数据，如果另一个事务回滚，则该事务读取的数据就是脏数据不可重复读3一个事务多次读取同一数据，但每次读取的结果都不一样，因为其他事务修改了该数据幻读4一个事务多次查询同一条件的数据，但每次查询的结果集都不一样，因为其他事务插入或删除了满足条件的数据并发控制是指在多个事务并发执行时，如何保证数据的完整性和一致性并发控制需要解决丢失更新、脏读、不可重复读和幻读等问题事务隔离级别读未提交（）Read Uncommitted最低的隔离级别，允许读取未提交的数据，可能导致脏读、不可重复读和幻读读已提交（）Read Committed允许读取已提交的数据，可以避免脏读，但可能导致不可重复读和幻读可重复读（）Repeatable Read保证在同一个事务中多次读取同一数据的结果是一致的，可以避免脏读和不可重复读，但可能导致幻读串行化（）Serializable最高的隔离级别，保证事务串行执行，可以避免所有并发问题，但效率最低事务隔离级别是指在多个事务并发执行时，允许事务之间互相干扰的程度事务隔离级别越高，并发性能越差，但数据的完整性和一致性越高实践操作事务管理4题目一题目二模拟转账操作，从账户向账户转账A B1设置事务隔离级别为可重复读，模拟元要求保证转账操作的原子性，100多个事务并发访问同一数据，观察是2即要么两个账户都更新成功，要么都否会出现不可重复读和幻读现象回滚请大家根据前面所学的事务管理知识，尝试解答以上两个题目可以使用、和BEGIN TRANSACTIONCOMMIT TRANSACTION等语句来实现事务管理ROLLBACK TRANSACTIONSQL评估与反馈自我评估1你认为你实现的事务管理是否正确？你是如何验证的？你在实现过程中遇到了哪些困难？互相评价2请你评价其他同学实现的事务管理，指出其优点和不足之处你认为他们的代码有哪些值得你学习的地方？教师点评3教师将对大家实现的事务管理进行点评，指出共性问题和个性化问题，并给出改进建议评估与反馈是学习过程中非常重要的环节，通过自我评估、互相评价和教师点评，可以更好地理解和掌握所学知识，提高学习效果数据库安全性定义数据库安全性是指保护数据库免受未经授权的访问、使用、修改、破坏或泄露1的措施目标2保证数据库的机密性、完整性和可用性数据库安全性是数据库管理的重要组成部分，它用于保护数据库免受各种威胁，保证数据库的机密性、完整性和可用性数据库安全性涉及到访问控制、视图机制、审计与监控等多个方面访问控制机制用户认证权限管理角色管理验证用户的身份，确定用户是否具有访控制用户对数据库对象的访问权限，例将权限赋予角色，然后将角色赋予用户，问数据库的权限如、、、简化权限管理SELECT INSERTUPDATE等DELETE访问控制机制是数据库安全性的重要组成部分，它用于控制用户对数据库对象的访问权限，保证数据库的机密性和完整性常用的访问控制机制包括用户认证、权限管理和角色管理等视图机制定义作用视图是一个虚拟的表，它由一个查视图可以简化复杂的查询，隐藏底询语句定义视图不存储实际的数层表的结构，提高数据库的安全性据，而是从基本表中派生出来视图机制是数据库安全性的重要组成部分，它可以通过简化复杂的查询和隐藏底层表的结构来提高数据库的安全性视图还可以用于实现细粒度的访问控制，例如只允许用户访问视图中的部分列审计与监控审计记录用户对数据库的操作，例如登录、查询、修改等可以用于追踪安全事件和进行合规性审计监控实时监控数据库的运行状态，例如使用率、内存使用率、CPU磁盘等可以用于及时发现和解决性能问题和安全问题IO审计与监控是数据库安全性的重要组成部分，它可以通过记录用户对数据库的操作和实时监控数据库的运行状态来及时发现和解决性能问题和安全问题审计与监控可以为数据库管理员提供重要的信息，帮助他们更好地管理和保护数据库实践操作数据库安全5题目一题目二创建一个新的用户，并赋予该用户对表的权创建一个视图，只包含表的、和三Student SELECTStudent SnoSname Sdept限禁止该用户对表进行、和个属性允许用户访问该视图，但禁止用户直接访问Student INSERTUPDATE Student操作表DELETE请大家根据前面所学的数据库安全知识，尝试解答以上两个题目可以使用、和等语CREATE USERGRANT CREATEVIEW SQL句来实现数据库安全评估与反馈自我评估互相评价你认为你实现的数据库安全措请你评价其他同学实现的数据施是否有效？你是如何验证的？库安全措施，指出其优点和不你在实现过程中遇到了哪些困足之处你认为他们的代码有难？哪些值得你学习的地方？教师点评教师将对大家实现的数据库安全措施进行点评，指出共性问题和个性化问题，并给出改进建议评估与反馈是学习过程中非常重要的环节，通过自我评估、互相评价和教师点评，可以更好地理解和掌握所学知识，提高学习效果课程总结关系代数1掌握关系代数的基本概念、操作和等价转换规则关系模式设计2理解规范化理论，能够进行关系模式设计，消除数据冗余和更新异常SQL3熟练使用语句进行查询、修改和管理数据库SQL数据库安全4理解数据库安全性的基本概念，能够采取有效的安全措施保护数据库本次课程我们学习了关系代数、关系模式设计、以及数据库安全等多个方面SQL的内容希望大家能够将所学知识应用到实际工作中，不断提高自己的数据库技术水平经验分享学习方法实践技巧学习资源多做练习，多思考，多查阅资料，多与善于利用工具，例如阅读经典的数据库书籍，例如《数据库SQL MySQL同学交流、等熟练掌握常系统概念》、《必知必会》等关Workbench NavicatSQL用的语句和函数注数据库技术的发展趋势，例如、SQL NoSQL等NewSQL学习数据库技术是一个不断学习和实践的过程，希望大家能够保持学习的热情，不断提高自己的技术水平以下是一些学习方法、实践技巧和学习资源，供大家参考问题讨论关系代数1关系代数有哪些局限性？如何解决这些局限性？关系模式设计2如何选择合适的范式？是否越高越好？SQL3如何优化查询？有哪些常用的优化技巧？SQL数据库安全4如何应对各种数据库安全威胁？有哪些常用的安全工具？在本次课程中，我们学习了关系代数、关系模式设计、以及数据库安全等多个方面的内容大家在学习过程中可能遇到各种问题，欢迎大SQL家提出问题，共同讨论，共同进步课程评价内容课程内容是否清晰易懂？是否满足你的学习需求？教学教师讲解是否清晰？是否能够激发你的学习兴趣？实践实践操作是否能够帮助你巩固所学知识？建议你对本课程有什么建议？如何改进本课程？感谢大家参加本次课程！为了更好地改进课程，请大家对本次课程进行评价，提出你的宝贵意见和建议你的反馈将帮助我们不断提高课程质量，为大家提供更好的学习体验。